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L'invention se rapporte aux batteries d'éléments
thermoélectriques ou "pompes ~ chaleur" utilisant l'effet
PELTIER.
L'utilisation des batteries thermoélectriques a été
jusqu'ici essentiellement limitée aux applications où la con-
sommation d'énergie et le poids sont des facteurs déterminants
(réfrigérateur portatif, matériel aéroporté, ou médical), le
prix de revient de ces pompes étant relativement élevé du fait
que chaque couple ou thermoélément doit généralement être soudé
délicatement, pièce par pièce, après avoir été étamé, et avec
des soudures très spéciales.
Les soudures résistent d'ailleurs mal aux chocs dûs
aux effets de dilatation différentielle des jonctions entre les
thermoéléments et leur support et affectent gravement la fiabi-
lité et la durée de vie des batteries.
On a proposé, dans le brevet US 3 208 877 déposé le
14 Juin 1962 au nom de Jack.D.Merry, de maintenir une certaine
pression entre les composants de la batterie pour améliorer la
conductibilité électrique et thermique. Toutefois, l'agencement
pratique décrit dans ce brevet (emploi de boulons d'assemblage
extérieurs ~ la batterie proprement dite, disposés aux coins des
plaques caloporteuses, utilisation de plaques caloporteuses en
matière relativement fragile, transmission de la pression aux
jonctions par l'intermédiaire de blocs en chloroprène, relati-
vement mous, structure complexe formant chemise de circulation
d'un liquide réfrigérant) ne permet pas d'exercer de pressions
supérieures ~ quelques Kg/cm2 et le contact ne pouvant avoir la
résistance ohmique faible requise qu'en utilisant un soudage de
type classique, avec apport d'une matière de soudure et apport
extérieur de calories, par exemple par étuvage.
L'invention propose une structure nouvelle et compacte
apte ~ permettre la réalisation fiable et peu onéreuse de batte-
q~
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ries thermoélectriques dont les contacts peuvent être réaliséspurement par pression.
La pompe à chaleur suivant l'invention comporte un en-
semble "thermoéléments" sensiblement de même.épaisseur, et au
moins deux éléments radiants plats assurant la diffusion ou 1'
absorption de la chaleur, et est caractérisée en ce qu'elle est
réalisée s.ous la forme d'un sandwich comportant, outre lesdits
éléments radiants, deux supports isolants électriquement et bons
conducteurs thermiquement, placés de part et d'autre des thermo-
éléments et assurant à la fois le couplage électrique des ther-
moéléments les uns aux autres et le couplage thermique des élé-
ments radiants aux thermoéléments, tout en conc-~ourant au coupla-
ge mécanique de l'ensemble de tous les éléments, lesdits sup-
ports ayant chacun une première face en contact par toute sa
surface avec l'un des éléments radiants, et une seconde face
re.couverte d'une couche d'éléments discontinus bons conduc-
teurs de l'électricité, ces éléments étant répartis sur les
deux supports de manière que, lorsque les thermoéléments sont
serrés entre ceux-ci, lesdits éléments conducteurs réalisent
le couplage en série des thermoéléments, les points de coupla-
ge d'une première nature thermoéleotrique étant tous sur l'une
.des couches et les points de couplage de l'autre nature thermo-
~lectrique étant tous sur l'autre, et deux éléments con.ducteurs
extrèmes d'une des couches étant pourvus de moyens de couplage
aux pôles opposés d'une source d'énergie électrique continue,
ledit sandwich étant maintenu par une pluralité d'organes de
serrage qui le traversent de part en part.
La pression exercée par ces organes de.serrage sur
les contacts entre les éléments thermoélectriques et lesdits
30 .éléments conducteurs discontinus doit être, en pratique, de
l'ordre. de plusieurs dizaines de Kg/cm2.
L'invention sera mieux comprise à la lecture de la
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description qui suit. Au dessin annexé :
La figure la est une figure en perspective d'une bat-
terie suivant l'invention et la figure lb est une vue partielle
agrandie d'une partie de la figure la.
Les figures 2a, 2b et 3a, 3b sont des vues de face et
en coupe de la batterie après enlèvement d'une partie de ses
éléments.
La figure 4 est une vue en coupe de la figure la.
Les figures Sa - 5b montrent, en vue de face et en
coupe, respectivement un élément de montage de la batterie et
La figure 6 représente une variante d'exécution de la
batterie.
La pompe de chaleur décrite se présente sous la forme
compacte d'un sandwich, représenté figure la, dont les divers
éléments sont maintenus en contact par serrage, les vis ou bou-
lons de serrage, enlevés pour ne pas surcharger la figure,
étant mis en place dans des alésages 10 prévus ~-cet effet.
Tout autre moyen de serrage connu convient également.
La pression, exercée de manière sensiblement unifor-
me au niveau des contacts entre les thermoéléments et les ponts
conducteurs, est au moins de 50 Kg/cm2 et de préférence, de 1'
ordre de 200 Kg/cm2. Les éléments actifs ou thermoéléments A
sont placés dans la partie centrale du sandwich. Ces éléments
sont placés entre les supports B1 et B2 dont les âmes, d'épais-
seur de l'ordre de quelques mm par exemple, sont constituées
d'un matériau isolant électriquement, bon conducteur thermique
et résistant à la compression, par exemple du verre époxy qui
présente en outre l'avantage d'une certaine élasticité dans le
sens transversal, élasticité dont on verra l'utilité plus loin.
La figure lb, qui est une vue agrandie de la partie
de la figure 1 entourée de traits discontinus, montre plus en
détail les supports B1 et B2: sur leurs faces tournées vers
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.. . . .. .
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les thermoéléments A, ces supports sont recouverts de couches
métalliques épaisses et. discontinues, respectivement B1a et
B2a, formant des éléments conducteurs distincts sur la disposi-
tion et la réalisation desquels on reviendra plus loin : sur
les faces opposées sont déposées de minces pellicules métalli-
ques B1b et B2b, d'épaisseur de l'ordre de 70 microns par exem-
ple; contre ces pellicules sont placés les éléments radiants D
et D2 dont le rale est essentiellement, soit de transmettre de
la chaleur par rayonnement ou conduction à un élément d'utilisa-
10 tion, soit de maintenir, par conduction thermique ou absorption,l'une des plaques à la température constante d'une source froi-
de ou chaude non représentée. De minces feuilles de matière élas-
tique bonne conductrice thermique, par exemple un caoutchouc
chargé en carbone ou, de préférence, un élastomè~e- siliconé
C1 et C2 (épaisseur de l'ordre du mm), s.ont avantageusement in-
sérés entre les éléments radiants et les supports pour assurer
une meilleure surface de contact lorsque l'élasticité des sup-
ports et des couches métalliques ne suffit pas à rattraper en-
tièrement l'irrégularité de l'épaisseur des thermoéléments et
20 des supports. L'intensité du courant prévue est un facteur dé-
terminant de l'épaisseur de la couche gravée B1a ou B2a, dont
la résistance doit être aussi faible que possible afin de mini-
miser les pertes par effet Joule. Par exemple, pour une inten-
sité de 63 ampères~ on adoptera une épaisseur de cuivre de 1'
ordre de 7/10 de millimètres pour des surfaces de contact
avec les thermoéléments de l'ordre de 10 mm x 10 mm. En fonc-
tionnement, l'un des éléments radiants est maintenu par tout
moyen connu à une température sensiblement constante (par exem-
ple, contact avec l'air ambiant, ou avec un liquide en ébulli-
30 tion, ou encore avec une nappe phréatique), tandis qu'une sour-
ce de courant continu S est couplée aux extrémités de l'un des
supports de manière que les thermoéléments soient couplés en
.,, ~ . , .
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série aux bornes de la source. On notera que la figure lb n~
est pas ~ l'échelle, les pellicules B1b et B2bétant de l'ordre
de la centaine de microns (70 ~ dans l'exemple cité~ alors que
l'épaisseur des thermoéléments est de l'ordre du millimètre
(1,5 mm notamment) et celle de l'âme des supports de l'ordre
de plusieurs millimètres. Enfin, on a représenté en traits dis-
continus E une grille facultative qui peut être utilisée pour
la mise en place des éléments.
Avantageusement, les pellicules et les couches gravées
10 seront réalisées en cuivre, métal à la fois bon conducteur ther-
mique et électrique, et présentant une certaine élasticité as-
surant un meilleur con~act au serrage, en coopération avec l'
élasticité de l'âme B1, B2 du support.
Bien qu'il soit pratiquement plus avantageux de réa-
liser les éléments conducteurs B1a et B2a par dépôt électroly-
tique et gravure, l'invention n'est évidemment pas limitée ~
ce mode de réalisation. Outre la réalisation par collage d'un
lamifié ensuite gravé, tout autre mode de réalisation peut être
utilisé, tel que, par exemple : dépôt électrolytique sans gra-
20 vure, en utilisant un masque, ou collage avec grille de posi-
tionnement d'éléments lamifiés d~tincts. Dans le cas de la réa-
lisation du réseau de connexions par gravure, si la couche de
cuivre doit être épaisse, il peut être avantageux de réaliser
la gravure après dépôt de seulement une fraction de l'épaisseur
nécessaire, et d'augmenter l'épaisseur par un second dépôt
apr~s gravure.
Les figures 2a et 3a représentent respectivement des
exemples de circuits gravés B1a et B2a de la figure 1 vus res-
pectivement suivant F1 après enlèvement des parties A, B2, C2
30 et D2 et suivant F2 après enlèvement des parties A, B1, C1 et
Dl .
Les figures 2b et 3b sont des vues en coupe des sup-
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'
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ports 1 et B2 suivant xx et la figure 4 est une.vue en c.oupe
de 1'ensemble de la pompe ou batterie suivant yy. Sur toutes
les figures, les mêmes repères indiquent les.memes éléments.
Afin de montrer.plus clairement comment les: circuits
gravés B1 et B2 réalisent les jonctions entre thermoéléments,
on a représenté figures.3a et 3b' en pointillés, quelques uns
des thermoéléments, repèrés A1 A2, ..., A49, A50. Chaque
thermoélément comporte deux constituants, référencés a et b
de nature thermoélectrique différente. La connexion des deux
10 éléments a, b d'un même thermoélément Ai .(i = 1, 2 ... n, avec
n = 50 ici) est réalisée par un des éléments conducteurs gra-
vés B2ai (i = 1, 2 ... _), tandis que celle de deux éléments
b, a appartenant à deux thermoéléments successifs est réalisée
par un des.éléments conducteurs B1aj (i = 1, 2 ... _ + 1); le
premier et le dernier de ces éléments étant couplés, comme re-
présenté, aux bornes d'un générateur S de courant continu. Les
jonctions a _~ b constituent les jonctions d'une prem;ère natu-
re et les jonctions _ _~ a constituent les jonctions d'une se-
conde nature. Ces jonctions peuvent être dites respectivement
20."chaudes" et "froides" pour un sens de courant donné, et vice
versa pour le sens opposé.
Pour éviter, à l'usage, l'apparition d'oxydation à
la jonction des thermoéléments, les surfaces conductrices B1a
et B2a devront être traitées de façon appropriée.
Suivant un mode d'exécution préféré, les surfaces
conductrices complémentaires de la jonction sont traitées à
l'indium.
Il est connu que l'indium est un bon protecteur mé-
tallique contre l'oxydation. Cependant, le grand pouvoir de
30 diffusion de. ce corps, lorsqu'il est déposé en couche de très
faible épaisseur, est généralement considéré comme un inconvé-
nient.
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. . .~ , . . . ~ . . .
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Au contraire, dans la pile thermoélectrique décrite,
ce pouvoir de diffusion est un avantage qui est mis à profit
pour améliorer'e contact entre les thermoéléments et les cou-
ches conductrices sur lesquelles est effectué un dépôt électro-
lytique d'indium. Avantageusement, un dépot électrolytique de
nickel est effectué, avant le dépôt d'indium, sur les éléments
conducteurs discontinus de fa~on à empêcher une pénétration
trop rapide de l'indium dans le cuivre. Dans ce mode d'exécu-
tion, le simple exercice de la pression donne immédiatement un
10 contact de qualité suffisante, et celui-ci s'améliore au cours
du temps grâce à la diffusion de l'indium.
Suivante une variante, on assemble, sans traitement
de surface préalable, des thermoéléments disponibles dans le
commerce, qui sont généralement étamés : il suffit d'obtenir
une température de l'ordre de 140 à 160 C, température qui est
inférieure à la température maximum (200 minimum) que peuvent
supporter les constituants de la pile. Si nécessaire, pour que
l'effet Joule procure un effet de soudage, sans qu'il soit pro-
cédé à aucune opération de soudure proprement dite, avec apport
20 thermique extérieur, et sans apport de matière de soudage, on
procèdera simplement à l'étamage des couches métalliques avant
l'assemblage. On remarque que le soudage par effet Joule, par-
ticulièrement avantageux, n'est possible et efficace que parce
que les éléments à lier se trouvent en excellent contaot mécani-
que du fait de leur mode d'as6emblage par pression, et parce
qu'aucune matière isolante (résine ou flux) susceptible d'empê-
cher l'établissement du courant, n'a été apportée.
Il doit 8tre bien compris que ce soudage n'est pas
indispensable, le contact étant essentiellement réalisé par
30 pression.
Comme on l'a déjà indiqué, le positionnement des
thermoéléments A entre les pièces B1 et B2 peut être avantageu-
- - , . .
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sement réalisé au moyen d'une grille de positionnement E telle
que représ~ntée schématiquem~nt figures 5 et 5b. Cette grille
peut par exemple être découpée mécaniquement .ou chimiquement
dans un matériau approprié, c'est ~ dire isolant.électriquement
et de préférence égal~ment isolant thermiquement : elle pourra
aussi être réalisée par injection dans un moule; l'épaisseur de
la grille doit dans tous les cas être inférieure à celle des
thermoéléments, par exemple de l'ordre de la moitié de ceux-ci.
Les pellicules métallisées B1b, B2b ont pour rôle d
10 améliorer la qualité du contact thermique et ne sont pas rigou-
reusement indispensables dans tous les cas. Il en est de même
des couches élastiques C1, C2 dont l'utilité dépend des tolé-
rances obtenues sur les différentes épaisseurs en jeu. Ce qui
est, par contre, l'essentiel est que, de chaque côté, un seul
et même support assure, par l'effet d'une pression suffisante,
l'interconnexion électrique des thermoéléments et leur couplage
thermique aux éléments radiants.
On a déjà proposé, dans des pompes à chaleur thermo-
.électriques d.'un type dif.férent de celui qui est décrit ici, de
20 munir d'ailettes les éléments radiants afin d'améliorer les
échanges thermiques. On supprime ainsi les pertes thermiques,
les ailettes étant partie intégrante de la pile.
Suivant le mode. d'exécution préféré représenté ~ la
figure 6, qui peut être avantageusement combiné avec l'une des
.variantes précédentes, les supports E1, E2 de serrage et cou-
plage des thermoéléments, sont munis sur leurs faces extérieu-
res d'ailettes telles que représentées, en vue en coupe par-
tielle, où l'on a désigné globalement par E1 et E2, les deux
supports, l'ensemble des thermoéléments serré entre E1 et E2
30 n'étant pas représenté. Cette. constitution monolithique des
éléments caloporteurs et échangeurs contribue à conférer aux
plaques de support B1, B2 une grande rigidité, favorable à
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l'exercice. d'une pression suffisante sur les cont.acts.
L'invention est particulièrement intéressante pour
les climatiseurs individuels, qu'elle permet de réaliser tota-
lement silencieux et de faire fonctionner avec une dépense d'
énergie compétitive avec l'utilisation des compresseurs.
